試析雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

中國環(huán)境管理干部學(xué)院 苗玉杰

試析雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

中國環(huán)境管理干部學(xué)院 苗玉杰

雷達(dá)主要通過發(fā)射電磁波對目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息，雷達(dá)的信號處理系統(tǒng)是雷達(dá)系統(tǒng)的最重要的組成部分，主要由發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、接收機(jī)、接收天線幾個(gè)部分組成，發(fā)射機(jī)的功能是產(chǎn)生某一所需功率電平的射頻波形，天線的基本功能是將射頻能量從雷達(dá)傳輸線耦合到傳播介質(zhì)中或由傳播介質(zhì)耦合給傳輸線。接收機(jī)的主要功能是接收微弱的目標(biāo)信號，并將信號放大到可以使用的電平，顯示器的基本功能和用途是將目標(biāo)信息傳遞給用戶。本文主要對雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡要分析，希望能為相關(guān)的研究提供部分參考價(jià)值。

雷達(dá)；信號處理系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)

1.前言

雷達(dá)是利用電磁波探測目標(biāo)的電子設(shè)備，主要通過發(fā)射電磁波對目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。[1]雷達(dá)的種類較多，但是具體用途和結(jié)構(gòu)不盡相同，而基本形式是一致的，主要包括：發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、接收機(jī)、接收天線，處理部分以及顯示器。還有電源設(shè)備、數(shù)據(jù)錄取設(shè)備、抗干擾設(shè)備等輔助設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)是白天黑夜均能探測遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，且不受霧、云和雨的阻擋，具有全天候、全天時(shí)的特點(diǎn)，并有一定的穿透能力。因此，它不僅成為軍事上必不可少的電子裝備，而且廣泛應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展(如氣象預(yù)報(bào)、資源探測、環(huán)境監(jiān)測等)和科學(xué)研究(天體研究、大氣物理、電離層結(jié)構(gòu)研究等)。雷達(dá)信號處理系統(tǒng)是整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，是雷達(dá)實(shí)現(xiàn)其功能的最重要的支撐，本文將主要對雷達(dá)信號處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)的研究提供部分參考價(jià)值。

2.雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理

雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理主要是：由雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電磁能，經(jīng)收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)之后，便傳輸給天線。收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)用來使單個(gè)天線既能發(fā)射電磁波又能接收電磁波。天線起著將電磁能輻射至大氣中的轉(zhuǎn)換作用。電磁能在大氣中以光的速度(約3×108m/s)4專播。雷達(dá)天線通常會(huì)形成一個(gè)集中向某一給定方向傳播電磁能的波束。因此，通過機(jī)械和電氣的組合，將天線有效地指向某方向，便使波束指在所需的角坐標(biāo)上。位于天線波束內(nèi)的物體或目標(biāo)將會(huì)截取一部分傳播的電磁能。目標(biāo)將被截取的能量向各個(gè)方向散射。一般說來，總有些能量會(huì)向雷達(dá)的方向反射。一部分后向散射的電磁波特被雷達(dá)天線獲取，從大氣或其他傳播的介質(zhì)中搜集到的能量，通過傳輸線和收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)反饋給雷達(dá)接收機(jī)。雷達(dá)接收機(jī)將收到的微弱回波信號予以放大，然后將包含在射頻中的信息轉(zhuǎn)換為視頻積/或基帶信息。經(jīng)接收機(jī)處理的信號再加到雷達(dá)顯示器或顯示裝置。此時(shí)，在接收機(jī)(信號處理機(jī))內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)(距離、速度、幅度、方向等)便給雷達(dá)操作人員展示出來。一般地說，雷達(dá)是在將回波信號跟發(fā)射信號相關(guān)聯(lián)之后，方才獲得目標(biāo)信息的。

3.雷達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)成以及主要功能

任何功能的雷達(dá)都有4個(gè)基本組成部分：發(fā)射機(jī)、天線、接收機(jī)和顯示器。雖然將收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)當(dāng)成一個(gè)組成部分，[2]但是，更確切地說，將它當(dāng)作射頻傳輸線的一個(gè)組成部分要比當(dāng)作雷達(dá)的組成更為恰當(dāng)。在很多情況下，信號處理可以將接收機(jī)和顯示器的某些運(yùn)用合并起來，這四個(gè)組成部分的基本功能主要有：

3.1 發(fā)射機(jī)

發(fā)射機(jī)的功能是產(chǎn)生某一所需功率電平的射頻波形，所需之射頻功率可直接由功率振蕩器(如磁控管)或長區(qū)振蕩器(EIO)產(chǎn)生，或由射頻放大器或放大器鏈(行波管放大器，交叉場放大器或長區(qū)放大器(EIA)，固態(tài)器件放大器等)提供。波形則由雷達(dá)系統(tǒng)的特定要求確定。從簡單的動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI)雷達(dá)用的未經(jīng)調(diào)制的連續(xù)波(CW)到某些先進(jìn)軍用雷達(dá)的復(fù)雜的頻率、相位和時(shí)間編碼調(diào)制波形都有。

3.2 天線

天線是一種變換器，它主要的作用把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無界媒介(通常是自由空間)中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。雷達(dá)天線的基本功能是將射頻能量從雷達(dá)傳輸線耦合到傳播介質(zhì)中或由傳播介質(zhì)耦合給傳輸線。除此之外，天線還為發(fā)射和接收電磁能量提供波束的方向性和增益。

3.3 接收機(jī)

雷達(dá)接收機(jī)的主要功能是接收微弱的目標(biāo)信號，并將信號放大到可以使用的電平。隨后，再將射頻包含的信息變換到基帶信號。可以使用各式各樣的接收機(jī)，包括晶體檢波式、射頻放大器、零拍接收機(jī)和超外差接收機(jī)。其中，超外差接收機(jī)在雷達(dá)接收機(jī)中是應(yīng)用最廣泛的一種。當(dāng)設(shè)法使接收機(jī)的頻譜特性跟發(fā)射波形為最佳匹配時(shí)，便可獲得所謂的理想或匹配接收機(jī)。此時(shí)，就可得到最大的輸出信噪比。在大多數(shù)情況下，雷達(dá)設(shè)計(jì)人員就得謀求折衷的設(shè)計(jì)，出于其他方面(簡化設(shè)計(jì)或測距槽度)的考慮，而犧牲一些信噪比。因此，很難實(shí)現(xiàn)理想的匹配接收機(jī)。不過，理想匹配接收機(jī)都普遍用作性能比較的參考基準(zhǔn)。

3.4 顯示器

雷達(dá)顯示器的基本功能和用途是將目標(biāo)信息傳遞給用戶。顯示器的結(jié)構(gòu)形式和信息展現(xiàn)的方式取決于雷達(dá)的特定用途和用戶的需要。兩種常用的顯示器是：

平面位置顯示器(PPI)，對于監(jiān)視雷達(dá)來說，陰極射線管上顯示的是供監(jiān)視雷達(dá)用的目標(biāo)距離和角度數(shù)據(jù)。，聲頻揚(yáng)聲器或耳機(jī)，移動(dòng)目標(biāo)的出現(xiàn)用多普勒頻率信號表示，例如，在報(bào)警雷達(dá)中。

4.雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

信號處理階段是雷達(dá)實(shí)現(xiàn)信息輸出的重要階段，本文主要以脈沖壓縮雷達(dá)為研究對象，對其信號處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，其技術(shù)要點(diǎn)主要有：

4.1 線性調(diào)頻脈沖壓縮信號

圖1 輸出的波形圖

線性調(diào)頻信號主要是通過非線性相位調(diào)制或線性頻率調(diào)制(LFM)來獲得大的時(shí)寬帶寬積。在國外又將這種信號稱為Chirp信號。這是研究得最早而又應(yīng)用最廣泛的一種脈沖壓縮信號。脈沖壓縮雷達(dá)主要就是采用這種壓縮信號，因此它可以同時(shí)獲得遠(yuǎn)的作用距離和高的距離分辨力。與其他脈沖壓縮信號相比，它還具有以下優(yōu)點(diǎn)：所用匹配濾波器對回波信號的多普勒頻移不敏感，因而可以用一個(gè)匹配濾波器來處理具有不同多普勒頻移的信號，這將大大簡化信號處理系統(tǒng)；另外這類信號的產(chǎn)生和處理均較容易，且技術(shù)上比較成熟，這也是它獲得廣泛應(yīng)用的原因。主要缺點(diǎn)是存在距離與多普勒頻移的耦合及匹配濾波器輸出的旁瓣較高。為壓低旁瓣常采用失配處理，這將降低系統(tǒng)的靈敏度。[3]

4.2 波形設(shè)計(jì)

雷達(dá)主要是通過對回波信號作一些相應(yīng)的處理來識別復(fù)雜回波中的有用信息的。因此，波形設(shè)計(jì)有著相當(dāng)重要的作用，會(huì)直接決定信號的截取速度，信號的處理方式以及信號的處理速度。當(dāng)前，雷達(dá)波形設(shè)計(jì)的方式主要是采取采用脈沖壓縮處理方式。所謂脈沖壓縮，就是將發(fā)射時(shí)的寬脈沖，通過匹配濾波器進(jìn)行脈沖壓縮，輸出窄脈沖信號，使雷達(dá)提高檢測能力的同時(shí)又不降低距離分辨力。作為現(xiàn)代雷達(dá)的重要技術(shù)，脈沖壓縮技術(shù)有效地解決了距離分辨力與平均功率之間的矛盾。

4.3 線性調(diào)頻脈沖壓縮信號的匹配濾波

線性調(diào)頻信號具有大的時(shí)寬帶寬積，為具有好的探測能力和好的距離分辨力提供了一定的條件，但要實(shí)現(xiàn)好的探測能力和距離分辨力，還必須對回波信號在接收機(jī)中加以專門的處理，這種處理過程稱為匹配濾波。根據(jù)匹配濾波原理，接收機(jī)對輸入信號匹配濾波的頻率特性應(yīng)該為：H(W)=kS*(w)·exp(-jwto)，式中：S*(w)為輸入信號頻譜的共軛值；k為濾波器的增益常數(shù)；t0是使濾波器所必需的延遲時(shí)間，在t0時(shí)刻將有信號的最大輸出。其輸出的波形圖如圖1所示。

當(dāng)前線性調(diào)頻信號所用的匹配濾波器有多種形式，模擬式脈沖壓縮器件主要有：具有大帶寬、小時(shí)寬的聲表面波(SAW)器件；中等時(shí)寬和中等帶寬的體聲波反射陣列壓縮器(BRAC)等。在脈沖壓縮雷達(dá)中主要采用的是聲表面波(SAW)器件。

4.4 恒虛警處理

恒虛警是雷達(dá)信號處理的重要組成部分，雷達(dá)信號的檢測總是在干擾背景下進(jìn)行的，這些干擾來自各個(gè)方面，主要包括接收機(jī)內(nèi)部噪聲，以及地物、雨雪、海浪等雜波干擾。在進(jìn)行恒虛警處理時(shí)，根據(jù)處理對象的不同分為慢門限恒虛警和快門限恒虛警。慢門限恒虛警主要針對接收機(jī)內(nèi)部噪聲，快門限恒虛警主要針對雜波環(huán)境下的雷達(dá)自動(dòng)檢測。慢門限恒虛警處理主要是針對接收機(jī)內(nèi)部噪聲電平的恒虛警處理電路，因?yàn)閮?nèi)部噪聲由于溫度、電源等因素而改變，這種變化是比較緩慢?？扉T限恒虛警處理主要應(yīng)用于鄰近單元平均選大的恒虛警電路。

4.5 積累處理

現(xiàn)在的雷達(dá)都是在多脈沖觀測的基礎(chǔ)上進(jìn)行檢測的，對于多脈沖觀測的結(jié)果就是一個(gè)積累過程。積累可以簡單地理解為多個(gè)脈沖疊加起來的作用。多個(gè)脈沖積累后可以有效的提高信噪比，從而改善雷達(dá)的檢測能力。因此積累處理對于提高雷達(dá)信號輸出的效果具有重要的意義。積累處理可以在包絡(luò)波前完成，成為檢波前積累或者中頻積累。一般信號的積累處理主要可以包括兩種：相參積累和非相參積累。信號在中頻積累時(shí)要求信號間有嚴(yán)格的相位關(guān)系，稱為相參積累。積累過程在包絡(luò)檢波后完成，稱為檢波后積累或者視頻積累。由于信號在包絡(luò)檢波后失去了相位信息而只保留了幅度信息，所以檢波后積累處理就不需要信號間有嚴(yán)格的相位關(guān)系，這種積累稱為非相參積累。采用相參職累可以使信噪比(SNR)提高M(jìn)倍，因?yàn)橄噜徶芷谥械闹蓄l回波信號按照嚴(yán)格的相位關(guān)系進(jìn)行疊加，因此積累疊加的結(jié)果為：信號的幅度可以提高M(jìn)倍，相應(yīng)的信號功率提高砰倍，而噪聲是隨機(jī)的，對每一個(gè)距離單元來說，相鄰重復(fù)周期的噪聲滿足統(tǒng)計(jì)獨(dú)立條件，積累的效果使平均功率疊加，從而使噪聲的總功率提高M(jìn)倍，因此，在雷達(dá)信號系統(tǒng)中進(jìn)行積累處理將大大提高雷達(dá)的信息輸出能力。

5.結(jié)語

綜上所述，我們可以知道，雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是白天黑夜均能探測遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，且不受霧、云和雨的阻擋，具有全天候、全天時(shí)的特點(diǎn)，并有一定的穿透能力，其應(yīng)用的范圍較為廣泛，種類也較為繁多，其信號處理系統(tǒng)的技術(shù)較為復(fù)雜，是一個(gè)值得深入研究的重要課題。本文主要對雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了闡述，對其構(gòu)成進(jìn)行了簡要的介紹，并對雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了歸納，希望能為相關(guān)的研究提供部分參考價(jià)值。

[1]吳福富,王志云,韓壯志,何強(qiáng).雷達(dá)信號處理系統(tǒng)建模方法研究[J].信息技術(shù),2011,2:96-101.

[2]寧麗鵬.雷達(dá)信號處理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].科技信息,2012,24:479-480.

[3]鄧鳳軍,張昌安,羌琦.基于多DSP的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012(18):4401-4405.

苗玉杰（1972—），中國環(huán)境管理干部學(xué)院信息工程系講師，研究方向：信號處理、電路與系統(tǒng)。